Низковольтный электронный микроскоп
Низковольтный электронный микроскоп (LVEM) — это электронный микроскоп , который работает при ускоряющем напряжении в несколько килоэлектронвольт ( кэВ) или меньше. Традиционные электронные микроскопы используют ускоряющее напряжение в диапазоне 10–1000 кэВ.
Получение изображений при низком напряжении в проходящих электронах возможно во многих новых детекторах сканирующих электронов.
Недорогой альтернативой является специальный настольный просвечивающий электронный микроскоп низкого напряжения . [ 1 ] Хотя его архитектура очень похожа на обычный просвечивающий электронный микроскоп, он имеет несколько ключевых отличий, которые позволяют ему использовать преимущества источника электронов с напряжением 5 кэВ, но при этом уступают многим преимуществам работы с более высоким напряжением, включая более высокое разрешение, возможность X -лучевой микроанализ, EELS и т. д. Недавно был представлен новый просвечивающий электронный микроскоп низкого напряжения, который работает в диапазоне переменных напряжений от 6 до 25 кВ. [ 2 ]
Преимущества
[ редактировать ]Более высокий контраст
[ редактировать ]Существенное снижение энергии электронов позволяет существенно улучшить контрастность светлых элементов. На сравнительных изображениях ниже видно, что снижение ускоряющего напряжения с 80 кВ до 5 кВ существенно повышает контрастность тестовых образцов. Улучшенный контраст является прямым результатом повышенного рассеяния электронов, связанного со снижением ускоряющего напряжения.
LVEM обеспечивает повышение контрастности изображения почти в двадцать раз выше, чем при 100 кВ. Это очень перспективно для биологических образцов, состоящих из легких элементов и не обладающих достаточным контрастом на классических ТЭМ. [ 3 ]
Кроме того, относительно низкая длина свободного пробега (15 нм) для органических образцов при напряжении 5 кВ означает, что для образцов с постоянной толщиной высокий контраст будет получен при небольших изменениях плотности. Например, для контраста 5% на светлопольном изображении LVEM нам нужна разница в плотности между фазами всего 0,07 г/см. 3 . Это означает, что обычная необходимость окрашивания полимеров для повышения контрастности в ПЭМ (обычно это делается с помощью тетроксида осмия или рутения ) может не потребоваться при использовании метода низковольтной электронной микроскопии. [ 4 ]
-
Изображение низкого напряжения (5 кВ) с более высокой контрастностью -
Традиционное изображение ТЭМ (80 кВ)
Пятно не требуется
[ редактировать ]Улучшенный контраст позволяет значительно сократить или исключить этап негативного окрашивания тяжелыми металлами при ПЭМ-визуализации легких элементов (H, C, N, O, S, P). Хотя окрашивание полезно для экспериментов, направленных на определение структуры с высоким разрешением, оно крайне нежелательно при приготовлении некоторых образцов белка, поскольку оно может дестабилизировать образец белка из-за его кислого pH и относительно высокой концентрации тяжелых металлов. Добавление красителя к срезам образцов, таких как биологические материалы или полимеры, также может привести к появлению артефактов визуализации.
Эксперименты LVEM, проведенные на экстрагированном образце мембранного белка, который был проанализирован с процедурой окрашивания и без нее, показывают заметное улучшение внешнего вида образца, когда стандартное окрашивание опускается. Результаты показывают, что LVEM может быть даже более полезным, чем обычный ЭМ, для этого конкретного применения, поскольку он позволяет избежать потенциально разрушающего этапа окрашивания, обеспечивая тем самым ненарушенное изображение агрегатного состояния белка. [ 5 ] [ 6 ]
Кроме того, возможность исключить этап окрашивания может помочь повысить безопасность в лаборатории, поскольку обычные пятна тяжелых металлов, таких как уранилацетат, действительно связаны с риском для здоровья.
Разрешение
[ редактировать ]Первые низковольтные электронные микроскопы имели пространственное разрешение около 2,5 нм в режимах ПЭМ, 2,0 нм в режиме STEM и 3,0 нм в режимах SEM. [ 4 ] К 2010 году разрешение СЭМ было улучшено до ~ 1,2 нм при 800 эВ. [ 7 ] в то время как в 2016 году сообщалось о разрешении ПЭМ 0,14 нм при 15 кэВ. [ 8 ]
Ограничения
[ редактировать ]Доступные в настоящее время низковольтные микроскопы способны обеспечить разрешение только 1–3 нанометра (нм). Хотя это значительно превышает разрешение оптических (световых) микроскопов, они еще не могут конкурировать с атомным разрешением, которое можно получить с помощью обычных (более высокого напряжения) электронных микроскопов.
Низкое напряжение ограничивает максимальную толщину образцов, которые можно исследовать в режиме ПЭМ или СТЭМ. В то время как в обычном ПЭМ он составляет около 50–90 нм, для LVEM при напряжении 5 кВ он уменьшается примерно до 20–65 нм. Однако для достижения максимального разрешения в режимах ПЭМ и СТЭМ 5 кВ необходима толщина порядка 20 нм или меньше. [ 3 ] [ 4 ] Иногда такой толщины можно достичь с помощью ультрамикротома .
в 2015 году эти ограничения были преодолены с помощью низковольтного электронного микроскопа на 25 кВ, который может давать высококачественные результаты с тонкими срезами образцов размером примерно до 100 нм+. [ нужна ссылка ]
См. также
[ редактировать ]- Электронный микроскоп
- Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ)
- Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (HRTEM)
- Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ)
- Сканирующий трансмиссионный электронный микроскоп (СТЭМ)
- Электронная микроскопия низких энергий (LEEM)
- Электронная дифракция
- Дифракция низкоэнергетических электронов (LEED)
Области применения
[ редактировать ]LVEM особенно эффективен для следующих приложений.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ LVEM5 из Делонг Америка
- ^ LVEM25 из Делонг Америка
- ^ Перейти обратно: а б Небесаржова1, Яна; Ванцова, Мари (2007). «Как наблюдать небольшие биологические объекты в электронном микроскопе низкого напряжения». Микроскопия и микроанализ . 13 (3): 248–249. дои : 10.1017/S143192760708124X .
{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Перейти обратно: а б с Драмми, Лоуренс, Ф.; Ян, Джуньян; Мартин, Дэвид К. (2004). «Низковольтная электронная микроскопия полимерных и органических молекулярных тонких пленок». Ультрамикроскопия . 99 (4): 247–256. дои : 10.1016/j.ultramic.2004.01.011 . ПМИД 15149719 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Асмар, Джорджия; Хэнсон, Массачусетс; Уорд, AB; Ласалде, Дж.А.; Стивенс, Р.С.; Поттер, К.; Кун, премьер-министр (2004). «Низковольтная электронная микроскопия (LVEM) как зонд для определения агрегационных состояний солюбилизированных мембранных белков». Микроскопия и микроанализ . 10 (2): 1492–1493. Бибкод : 2004MiMic..10S1492A . дои : 10.1017/S1431927604886069 .
- ^ Лундстрем, Кеннет (2006). Структурная геномика мембранных белков . ЦРК Пресс. стр. 271–274. ISBN 978-1-57444-526-8 .
- ^ Ван Акен, Р.Х.; Маас, диджей; Хаген, CW; Барт, Дж. Э.; Круит, П. (2010). «Проектирование низковольтного РЭМ с исправлением аберраций». Ультрамикроскопия . 110 (11): 1411–9. дои : 10.1016/j.ultramic.2010.07.012 . ПМИД 20728276 .
- ^ Моришита, Сигэюки; Мукаи, Масаки; Суэнага, Кадзу; Савада, Хидетака (2016). «Визуализация атомного разрешения при сверхнизком ускоряющем напряжении с помощью монохроматического просвечивающего электронного микроскопа» . Письма о физических отзывах . 117 (15): 153004. Бибкод : 2016PhRvL.117o3004M . doi : 10.1103/PhysRevLett.117.153004 . PMID 27768334 .